CN115189387A - 海上风电vsc-hvdc系统直流耗能装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

海上风电VSC‑HVDC系统直流耗能装置及其控制方法和应用，包括耦合变压器、半桥型子模块、耗能装置、串联电抗器，其特征在于：所述耦合变压器原边绕组和半桥型模块串联后并联在直流母线的正、负极之间；所述耦合变压器的副边串联耗能装置和电抗器并接地。本发明采用耦合变压器，使耗能电阻承受低电压，相比传统的直流耗能装置，消除了穿墙套管，降低了绝缘要求，节约了成本；本发明在变压器副边串联电抗器，起到了续流作用，避免直流电压较大的波动，大幅减小谐波分量，提高了系统稳定性。

Description

海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种耗能装置及其控制方法，尤其是涉及一种海上风电VSC-HVDC系统新型直流耗能装置及其控制方法。

背景技术

柔性直流输电技术因其能够直接连接弱交流系统、没有输电距离限制、不需要另外设置无功补偿装置，在电力系统中产生了广泛的应用需求。当受端侧低压故障时，交流电网电压跌落导致受端换流站功率送出能力下降，有功功率盈余造成直流输电线路的电压升高，危害柔性直流换流阀等设备的安全，严重情况下可能造成海上风电风机脱网。

因此，解决受端侧低压故障导致的有功功率盈余非常有必要。现有技术中，采用的方法主要是采用直流耗能装置消耗盈余功率。当直流电压过高时，通过电力电子器件的控制投入耗能电阻，耗能电阻将使直流电压下降，关断耗能电阻放电回路，直流电压再上升，通过反复的开通和关断耗能电阻支路来控制直流电压。 如现有技术，中国专利申请，其申请号：CN2020107484538，公开号：CN111884245 A，公开一种风电场经柔性直流输电系统送出的故障穿越协调控制方法。中国专利申请，其申请号：CN2019102515240，公开号：CN109873441 A，公开一种具有分布式直流耗能装置的风电柔性直流送出系统。但现有技术需要将功率器件直接与耗能电阻串联，在耗能状态时，耗能电阻需要接在室外散热，而电阻两端电压很高，耗能电阻存在绝缘击穿风险，在绝缘要求下两端引线需要接进穿墙套管，成本高昂。

再有，中国专利公开号：CN 111162559 A公开一种柔性直流输电系统耗能装置，包括n个级联的功率子模块M1～Mn、集中式耗能电阻R1、限流电感L1、限流电感L2、隔离开关S1和隔离开关S2；所述隔离开关S1的正端接于直流母线正极，隔离开关S1负端接于限流电感L1正端，限流电感L1的负端接于功率子模块M1的正端，功率子模块M1～Mn级联，功率子模块Mn的负端接于限流电感L2的正端，限流电感L2的负端接于集中式耗能电阻R1的正端，集中式耗能电阻R1的负端接于隔离开关S2的正端，隔离开关S2的负端接于直流母线负极；此外，诸如专利申请文件：CN 110277778 A公开一种泄能装置，CN 112421672 A，公开一种风电场经VSC-HVDC并网的故障穿越控制方法、CN 110932304 A公开一种直流耗能装置控制系统及控制方法，CN 110867884 A公开一种耗能模块、海上风电经柔性直流外送系统及故障穿越策略，CN 111224421 A，公开一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置拓扑，CN 111404194 A公开一种适用于柔性直流电网的交流耗能电阻优化配置方法及系统，CN 111725831 A公开一种多类型换流器并存的柔性直流配电网及其故障隔离方法， CN 112421697 A公开一种VSC-HVDC海上风电系统，CN 211530758 U公开一种柔性直流输电系统直流侧耗能装置，CN211530759 U公开一种柔性直流输电系统耗能装置，CN 112909990 A公开一种提高海上风电多端柔直系统故障穿越能力的协调控制技术设计方案，期刊《中国电机工程学报》第41卷第12期记载了一篇文献：海上风电直流并网工程用新型柔性直流耗能装置电气设计研究，期刊《中国电力》第53卷第7期公开一篇文献：大规模海上风电柔性直流输电技术应用与现状和展望等文献中，虽然上述现有技术都采用了能耗装置，但是，由于上述文献并没有采用耦合变压器，使耗能电阻承受低电压，也没有在变压器副边串联电抗器以避免直流电压较大的波动，减小谐波分量，从而降低了系统稳定性。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足，发明了一种海上风电VSC-HVDC系统新型直流耗能装置，其技术方案如下：

海上风电VSC-HVDC系统新型直流耗能装置，包括耦合变压器、半桥型子模块、耗能装置、串联电抗器，其特征在于：所述耦合变压器原边绕组和半桥型模块串联后并联在直流母线的正、负极之间；所述耦合变压器的副边串联耗能装置和电抗器并接地。

优选为：所述半桥型模块由若干个子模块级联，子模块的负极和与其相邻的子模块正极连接。

优选为：所述半桥型模块中的子模块包括功率半导体开关管、反并联二极管、避雷器；所述半桥型子模块的输入端与所述功率半导体开关管的集电极连接，其输出端与所述功率半导体开关管的发射极连接；所述反并联二极管的正极与所述功率半导体开关管的发射极连接，其负极与所述功率半导体开关管的集电极连接；所述避雷器与所述功率半导体开关管并联。

优选为：所述直流耗能装置电气拓扑呈对称结构。

本发明还公开一种海上风电VSC-HVDC系统新型直流耗能装置控制方法，其特征为：

步骤1：海上风电系统正常运行时，直流耗能装置不工作；

步骤2：海上风电系统受端侧发生低压故障，控制直流耗能装置进入耗能状态，降低直流电压；

步骤2：直流耗能装置检测到直流电压跌落至设定值后，直流耗能装置退出。

有益效果

提供的技术方案巧妙地采用耦合变压器，使耗能电阻承受低电压，相比传统的直流耗能装置，消除了穿墙套管，降低了绝缘要求，节约了成本。

提供的技术方案在变压器副边串联电抗器，起到了续流作用，避免直流电压较大的波动，大幅减小谐波分量，提高了系统稳定性。

附图说明

图1是现有技术中直流耗能装置电气拓扑图。

图2是本发明提供的一种海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置电气拓扑图。

其中，1是半桥型子模块，2是半导体开关管，3是二极管，4是避雷器，5是变压器，6是耗能电阻，7是串联电抗器，8是接地网。

图3是本发明提供的一种海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置装设在海上风电系统上的结构图。

图4是本发明提供的一种海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置故障穿越过程的控制图，图4（a）为系统直流电压，图4（b）为系统交流电压，图4（c）为变压器原边电流，图4（d）为变压器副边电流。

图5是本发明提供的一种海上风电VSC-HVDC系统新型直流耗能装置的控制策略图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图2是本发明提供的一种海上风电VSC-HVDC系统新型直流耗能装置电路原理图。其中，1是半桥型子模块，2是半导体开关管，3是二极管，4是避雷器，5是变压器，6是耗能电阻，7是串联电抗器，8是接地网。

请参照图2，本发明提供一种海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置，包括：若干个半桥子型模块，一个变压器，一个耗能电阻，一个串联电抗器。变压器一次侧绕组和半桥型模块串联后并联在直流母线的正、负极之间；变压器的二次侧串联耗能电阻和电抗器并接地；半桥型模块由若干个子模块级联，子模块的负极和与其相邻的子模块正极连接。半桥型子模块包括：功率半导体开关管、反并联二极管和避雷器，即图中1由2、3和4组成。半桥型子模块的输入端和功率半导体开关管的集电极连接，其输出端与功率半导体开关管的发射极连接。反并联二极管的正极与功率半导体开关管的发射极连接，其负极与功率半导体开关管的集电极连接。避雷器与功率半导体开关管并联。可选的，所述功率半导体开关管为IGBT，IGCT或IEGT。耗能装置电气拓扑呈对称分布。

图中附图标记7是串联电抗器，因为其为续流电抗器，可以避免直流电压较大的波动，大幅减小谐波分量，提高了系统稳定性，避雷器的加装可以避免由于续流电抗器的引入导致的直串功率半导体开关管电压过冲；图中附图标记8为接地网，引入接地网是由于变压器副边串联小电阻，导致故障穿越期间电流很大。

图3是本发明提供的一种海上风电VSC-HVDC系统新型直流耗能装置装设在海上风电系统上的结构图。如图所示，该新型直流耗能装置并联在直流母线的正、负极之间。

图4是本发明提供的一种海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置故障穿越过程的控制图。

请参照图4，现按照时序详述其控制过程：

T0时段，海上风电系统正常运行时，直流耗能装置不工作，处于退出状态。系统正常运行时，直流耗能装置实时对直流电压进行检测，如图（a）所示直流电压检测值未超过设定值，耗能装置不工作。如图（b）、（c）、（d）所示，此时所示变压器原边电流、副边电流均为0，交流电压为正常值，耗能支路不导通。

T1时段，海上风电系统受端侧发生低压故障，控制直流耗能装置进入耗能状态，降低直流电压。风电系统受端侧发生低压故障时，系统出现盈余功率，如图（a）所示直流电压上升，直流耗能装置实时对直流电压进行检测，检测到直流电压超过设定值后，控制直流耗能装置进入耗能状态，耗能装置调节占空比，以占空比固定的脉冲信号触发功率半导体开关，使其导通，变压器二次侧产生脉冲电压，开始耗能。耗能装置至检测到直流电压低于设定值前，一直处于工作状态。如图（b）、（c）、（d）所示，此时所示变压器原边电流、副边电流不为0，交流电压降低至0，耗能支路导通。

T2时段，直流耗能装置检测到直流电压跌落至设定值后，直流耗能装置退出。直流耗能装置实时对直流电压进行检测，如图（a）所示直流电压下降，当系统故障切除，耗能装置检测到直流电压跌落至设定值后，控制直流耗能装置闭锁所有子模块，触发停止，功率半导体开关关断，直流耗能装置退出，系统恢复正常运行。如图（b）、（c）、（d）所示，此时所示变压器原边电流、副边电流为0，交流电压上升至正常值，耗能支路不导通。

图5是本发明提供的一种海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置的控制策略图。该装置是通过PI控制器进行定直流电压控制。检测电压与额定电压进行比较后，通过PI控制器和电压平衡控制策略，控制电力电子开关器件的投切。控制器的指令值Uref为额定直流电压标幺值，反馈值Uin为直流电压测量标幺值。当直流电压达到过电压临界值，控制器运行；当直流电压降低至退出临界值，控制器禁止。由于控制器输出为耗能组件投入数，需要进行排序均压控制对投入耗能组件的子模块进行选择。排序均压控制为对单个桥臂的全部子模块电容电压进行采集，从电压最高到电压最低进行，按照控制器输出的耗能组件投入数，选取电压最高的子模块投入耗能组件。完成海上风电VSC-HVDC系统发生交流侧故障时的控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置，包括变压器、半桥型模块、耗能装置、串联电抗器，其特征在于：所述变压器一侧绕组和半桥型模块串联后并联在直流母线的正、负极之间；所述变压器的副边串联耗能装置和电抗器后接地。

2.根据权利要求1所述的所述海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置，其特征为：所述半桥型模块由若干个子模块级联，子模块的负极和与其相邻的子模块正极连接。

3.根据权利要求1所述的所述海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置，其特征为：所述半桥型模块中的子模块包括功率半导体开关管、反并联二极管、避雷器；半桥型子模块的输入端与所述功率半导体开关管的集电极连接，其输出端与所述功率半导体开关管的发射极连接；所述反并联二极管的正极与所述功率半导体开关管的发射极连接，其负极与所述功率半导体开关管的集电极连接；所述避雷器与所述功率半导体开关管并联。

4.根据权利要求1所述的所述海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置，其特征为：所述直流耗能装置电气拓扑呈对称结构。

5.海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置控制方法，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：海上风电系统正常运行时，直流耗能装置不工作；

步骤2：海上风电系统受端侧发生低压故障，控制直流耗能装置进入耗能状态，降低直流电压；

步骤3：直流耗能装置检测到直流电压跌落至设定值后，直流耗能装置退出。

6.根据权利要求5所述的海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置控制方法，其特征为：所述步骤1进一步包括如下内容，海上风电系统正常运行时，直流耗能装置处于闭锁状态；

直流耗能装置实时对直流电压进行检测，直流电压检测值未超过设定值，耗能装置不工作；此时所示变压器原边电流、副边电流均为0，交流电压为正常值，耗能支路不导通。

7.根据权利要求5所述的海上风电VSC-HVDC系统新型直流耗能装置控制方法，其特征为：所述步骤2进一步包括如下内容，海上风电系统受端侧发生低压故障时，系统出现盈余功率，直流耗能装置实时对直流电压进行检测，检测到直流电压超过设定值后，控制直流耗能装置进入耗能状态，耗能装置调节占空比，以占空比固定的脉冲信号触发功率半导体开关，使其导通，变压器二次侧产生脉冲电压，开始耗能；此时所示变压器原边电流、副边电流不为0，交流电压降低至0，耗能支路导通。

8.根据权利要求5所述的海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置控制方法，其特征为：所述步骤3进一步包括如下内容，直流耗能装置实时对直流电压进行检测，直流电压下降，当系统故障切除，耗能装置检测到直流电压跌落至设定值后，控制直流耗能装置闭锁所有子模块，触发停止，功率半导体开关关断，直流耗能装置退出，系统恢复正常运行；此时所示变压器原边电流、副边电流为0，交流电压上升至正常值，耗能支路不导通。

9.将权利要求5-8任一所述海上风电VSC-HVDC系统直流耗能装置控制方法应用于交流电网受端侧低压故障导致有功功率盈余的消耗中。

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